柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽運行，一些科學(xué)家認(rèn)為，這是由于太陽系中一個尚未被觀測到的“第九行星”導(dǎo)致的。但若使用修正牛頓動力學(xué)（MOND）來解釋這些小天體的運動軌跡，那么“第九行星”或許就不存在。圖為柯伊伯帶內(nèi)小天體示意圖。
行星、恒星和星系的運動軌跡讓無數(shù)人著迷。此前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽運行，似乎是被引力拉向了同一個方向。因此，科學(xué)家假設(shè)在這個方向上存在著這樣一個天體，其質(zhì)量是地球的5到10倍，這就是撲朔迷離的“第九行星”。近些年，科學(xué)家都在努力尋找這個“第九行星”，但截至目前，科學(xué)家還沒有通過光學(xué)、紅外或電磁波頻譜等任何一種方式觀測到過“第九行星”。
近期，發(fā)表于《天文學(xué)雜志》的一篇文章為“第九行星”為何如此難覓蹤跡找到了一個可能的原因——如果使用修正牛頓動力學(xué)（MOND）來解釋上述現(xiàn)象，那么“第九行星”或許就不存在。
那么，什么是MOND？MOND和傳統(tǒng)引力理論是什么關(guān)系？針對上述問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。
傳統(tǒng)引力理論歷經(jīng)多次修正仍面臨局限
要了解什么是MOND，首先必須追根溯源，了解其“修正”的對象——引力理論的前世今生。
1687年，牛頓提出萬有引力定律。他認(rèn)為，任何有質(zhì)量的物體之間都有相互吸引的力，即萬有引力。這一理論被視為物理學(xué)的基石，為解釋天體運動和地球上的現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。然而，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，很多現(xiàn)象用萬有引力定律無法解釋。因此，科學(xué)家們需要尋找一種能將萬有引力定律及其無法解釋的現(xiàn)象都囊括在內(nèi)的更為完善的理論。
20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了廣義相對論，這一理論首次把引力場等效成時空的彎曲，修正了牛頓的萬有引力定律，被認(rèn)為是一種更為完善的引力理論。但即便引入了廣義相對論，一些天體運動的規(guī)律仍不能被完全解釋。
為了進(jìn)一步解釋廣義相對論無法解釋的現(xiàn)象，暗物質(zhì)假設(shè)于1933年被提出。瑞士裔美國籍物理學(xué)家弗里茨·茲威基在研究星系團(tuán)時，發(fā)現(xiàn)一些星系圍繞星團(tuán)中心旋轉(zhuǎn)的速度快得令人吃驚。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授何建華介紹，在當(dāng)時，即使在觀測誤差所允許的范圍內(nèi)進(jìn)行最大限度的估計，也無法解釋為何這些星系的運動速度如此之快。因此，弗里茨認(rèn)為，星團(tuán)中必須引入一種新的不為人知的物質(zhì)，來解釋這種觀測與理論不一致的狀況。他將這種新物質(zhì)稱為暗物質(zhì)——一種因不發(fā)光而不能被我們看到的物質(zhì)。
自此，關(guān)注天體和星系詭異的運動軌跡，以及尋找看不見、摸不著的暗物質(zhì)，成為了宇宙學(xué)探索研究的主流工作之一。中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松對科技日報記者介紹，2016年，天文學(xué)家提出“第九行星”時，就曾認(rèn)為它可能是由暗物質(zhì)構(gòu)成的。
然而，暗物質(zhì)假設(shè)也不是完美無缺。如果要以暗物質(zhì)來解釋引力理論不適用的觀測現(xiàn)象，就必須引入數(shù)量巨大的暗物質(zhì)。“引入的暗物質(zhì)的質(zhì)量占比，達(dá)到了可見物質(zhì)的約5倍之多。”平勁松表示。
不引入暗物質(zhì)也能解釋星系的詭異運動
“越來越多的其他方面的天文觀測也開始支持暗物質(zhì)的存在。例如，通過微波背景輻射觀測，人們發(fā)現(xiàn)宇宙早期溫度存在微小漲落。”何建華說。因此，雖然對暗物質(zhì)是否存在這一問題有過許多爭論，但到了20世紀(jì)80年代初，大部分天文學(xué)家還是接受了宇宙中存在大量暗物質(zhì)的觀念。
當(dāng)然，對于天體和星系的詭異運動，也有一小部分科學(xué)家提出了新的看法。以色列物理學(xué)家密爾格羅姆認(rèn)為，也許暗物質(zhì)并不存在。為了解釋廣義相對論無法解釋的現(xiàn)象，應(yīng)該從數(shù)學(xué)上對熟知的萬有引力定律加以修改。“比如，當(dāng)動力學(xué)加速度遠(yuǎn)小于某一個參考加速度參數(shù)時，對牛頓動力學(xué)加入一個修正因子，就可以把星系的詭異運動變得平淡無奇。這就是MOND的來源。”平勁松說。
他舉例道，在經(jīng)典引力理論下，人們通常認(rèn)為，距離星系中心越遠(yuǎn)的地方受到的引力越小，旋轉(zhuǎn)速度越慢。但是，實際觀測到的星系旋轉(zhuǎn)曲線大多趨于一個常數(shù)，而現(xiàn)有引力理論并不足以支持觀測到的星系旋轉(zhuǎn)運動。MOND則針對這種運動引入一個大小約為0.1納米每平方秒的加速度參數(shù)，以解釋一些觀測現(xiàn)象與經(jīng)典理論的不一致。
MOND適用性尚需進(jìn)一步研究證實
雖然MOND通常被用來解釋大范圍的星系現(xiàn)象，但一些科學(xué)家認(rèn)為，其在太陽系的外圍也適用。基于此，他們進(jìn)行了觀測和分析。
“MOND是一種無暗物質(zhì)理論，它最初是為了不訴諸暗物質(zhì)而去解釋包括星系驚人的高速旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。”平勁松進(jìn)一步介紹，一些科學(xué)家借助該理論對柯伊伯帶中小天體的運動軌跡進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，即使不存在一個額外的大行星，這些小天體奇怪的軌道模式也能被完美地解釋。
當(dāng)然，對于這些科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，也有學(xué)者提出不同意見。一些學(xué)者認(rèn)為，這些科學(xué)家的研究存在巧合；還有一些學(xué)者認(rèn)為，這些科學(xué)家的研究說服力不夠強。
反對意見的出現(xiàn)，實質(zhì)上反映了暗物質(zhì)假說學(xué)派與修正理論學(xué)派之爭。中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷曾指出，一個好的科學(xué)理論必須自洽，物理學(xué)理論必須能對物體在各種情況下的運動給出預(yù)測和解釋。而對于MOND來說，這是一個挑戰(zhàn)，因為這個理論是基于經(jīng)驗關(guān)系，而不是來自第一性原理。一旦問題超出原來的范圍，就不好運用MOND回答。
平勁松表示，雖然MOND目前仍然不是宇宙學(xué)方向的主流，但不失為一種有競爭力的、值得研究者們付諸精力繼續(xù)研究的選擇。
鏈接
我國多個在研望遠(yuǎn)鏡
或為探索MOND提供支持
中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松表示，我國正在研制的多個天文望遠(yuǎn)鏡，都有望為修正牛頓動力學(xué)（MOND）的探索作出貢獻(xiàn)。“我國正在研制的巡天太空望遠(yuǎn)鏡（CSST）以及清華大學(xué)、北京大學(xué)等立項研制的多項6米及以上口徑的中型地基天文望遠(yuǎn)鏡的探測靈敏度，有望較當(dāng)下的望遠(yuǎn)鏡提升10倍以上。”平勁松說。
記者了解到，這些望遠(yuǎn)鏡將助力科學(xué)家在可見暗弱天體和MOND等方向開展探索。特別是與MOND有關(guān)的星系團(tuán)、銀河系外緣旋臂、太陽系邊緣等研究項目預(yù)期會獲得更豐富的新觀測結(jié)果。這些結(jié)果有望為MOND的確認(rèn)和實證提供支持。（吳葉凡）